JPH06241222A

JPH06241222A - スピンドル

Info

Publication number: JPH06241222A
Application number: JP3053193A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Uesugi; 正和上杉; Shotaro Mizobuchi; 庄太郎溝渕
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1994-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】回転精度及び剛性が高いと共に発熱が少なく、
高速且つ高精密な機械加工を可能とするスピンドルを提
供する。【構成】プーリ５を介してモータ等に連結されて回転す
る主軸１と、この主軸１の周囲に介装されて当該軸１を
ハウジング２に対して回転自在に支持するラジアル空気
動圧軸受３と、上記主軸１の周囲に介装されて当該軸１
の軸方向への移動を規制するスラスト空気動圧軸受４と
から構成されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械等において工
具若しくは工作物を主軸端に保持して回転するスピンド
ルに係り、詳細には、精密加工用スピンドルの主軸を支
承する軸受の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、機械加工における工作物の加工
精度は、工作物とこれを加工する工具との間における加
工中の時々刻々の相対位置で決まると言える。従って、
工具若しくは工作物を主軸端に保持して回転するスピン
ドルに対しては、加工時における主軸の振れ回りが小さ
く且つ加工反力に対しての剛性が高いことが要求され
る。また、加工時に主軸が発熱して膨張すると、工作物
と工具との相対的な位置関係に狂いが生じて加工精度が
低下するので、主軸に対する熱量の流入が小さいことも
要求される。一方、主軸の回転速度も工作物の加工精度
に大きな影響を与えるので、加工時における主軸の回転
速度の変化が小さいこともスピンドルに要求される性能
の一つである。

【０００３】ところで、これらスピンドルに要求される
性能は、主としてその主軸の回転を支承している軸受の
特性に左右されていると言える。そして、従来、この種
のスピンドルに使用されている軸受としては、玉軸受あ
るいはころ軸受に代表される転がり軸受や、油又は空気
に代表される作動流体の静圧を利用した静圧軸受が知ら
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の転がり
軸受はボールあるいはころが内外輪の間を転走している
ので、低速回転においては特に問題が生じないものの、
高速回転においては振動や摩擦熱が発生し、スピンドル
主軸の振れ回りや発熱を避けることができなかった。ま
た、内外輪の転走面を潤滑する必要があり、ランニング
コストが嵩む他、メインテナンスに手間がかかるという
問題点もあった。

【０００５】一方、後者の静圧軸受は作動流体の潤滑膜
によって軸を支承するので、前者の転がり軸受よりは高
い回転精度を期待できるが、その反面として剛性が低
く、加えて油又は空気を加圧するためのポンプやコンプ
レッサが必要であり、装置が大がかりにならざるを得な
いという問題点があった。

【０００６】また、作動流体として油を用いた静圧軸受
では空気を用いたものに比較してその剛性は高くなる
が、粘性の影響から高速回転時での発熱量が大きく、主
軸を高速回転させるためには強制冷却装置が必要であっ
た。作動流体の発熱量を軽減する対策としては、作動流
体の潤滑膜の厚さすなわち軸受クリアランスを大きく設
定する方法もあるが、これでは剛性が低下し且つ主軸の
振れ回りも大きくなるという問題点があった。

【０００７】このように従来のスピンドルに用いられて
きた軸受は、その回転精度あるいは剛性について一長一
短であり、また高速回転に適したものではなかった。こ
のため、スピンドルの性能もこれら軸受によって制約を
受けざるを得ず、工作物の加工精度の更なる向上の障害
となっていた。

【０００８】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであり、その目的とするところは、回転精度及び剛
性が高いと共に発熱が少なく、高速且つ高精密な機械加
工を可能とするスピンドルを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のスピンドルは、駆動手段に連結されて回転
する主軸と、この主軸の周囲に介装されて当該軸をハウ
ジングに対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸
受と、上記主軸の周囲に介装されて当該軸の軸方向への
移動を規制するスラスト空気動圧軸受とから構成される
ことを特徴とするものである。

【００１０】このような技術的手段において、上記ラジ
アル空気動圧軸受及びスラスト空気動圧軸受としては、
例えば６３−２５７７１７号公報に開示されるような既
知の空気動圧軸受を用いることができる。但し、これら
空気動圧軸受は空気潤滑膜の厚さすなわち軸受クリアラ
ンスが僅かでも変動すると、その剛性が著しく低下する
ので、軸受材料は環境の変動によって膨張あるいは収縮
の生じないセラミクスであることが好ましい。

【００１１】また、上記主軸が高速で回転すると空気動
圧軸受の作動流体が発熱するので、主軸に熱量が流入す
るのを防止するという観点からすれば、上記ラジアル動
圧軸受では主軸側に固定される内輪を断熱性セラミクス
で、ハウジング側に固定される外輪を熱良導性セラミク
スで形成するのが好ましい。同様な理由から、上記スラ
スト動圧軸受では主軸側に固定されるカラーを断熱性セ
ラミクスで、ハウジング側に固定されるスラスト板を熱
良導性セラミクスで形成するのが好ましい。

【００１２】更に、このスピンドルを縦置きにして使用
する場合を考慮すると、スラスト軸受が主軸の自重を全
て負荷することになるので、主軸及びこれに取り付けら
れる工作物などの総重量が数ｋｇになると、作動流体に
十分な動圧が発生していない起動時及び停止時において
は、スラスト空気動圧軸受の主軸側カラーとハウジング
側スラスト板が接触し、上記カラーやスラスト板の磨耗
やかじりが発生する懸念がある。このため、スピンドル
の起動時及び停止時に主軸側カラーとハウジング側スラ
スト板の接触を防ぐ手段を設けることが好ましい。具体
的には、マグネットの反発力によって上記カラーとスラ
スト板を非接触に保持する構成や、コンプレッサによっ
て予め静圧を付与しておく構成を採ることができる。

【００１３】

【作用】上記技術的手段によれば、主軸の回転に伴って
ラジアル空気動圧軸受及びスラスト空気動圧軸受が空気
を吸い込んで動圧を発生し、これによって上記主軸を保
持しているので、転がり軸受を用いた従来のスピンドル
のように高速回転時に主軸に振動を生じることがなく、
主軸の安定した高速回転運動を得ることができる。

【００１４】また、主軸の回転数が上昇するに従って高
い動圧が発生するので、静圧軸受を用いた従来のスピン
ドルに比べて十分な剛性を得ることができる。

【００１５】更に、主軸が回転すれば動圧が発生するの
で、静圧軸受に必要とされる大がかりな高圧力発生源、
例えばコンプレッサやボンプが不要となり、スピンドル
の小型軽量化を図ることもできる。

【００１６】また、主軸の回転中であれば、空気動圧軸
受には常に新鮮な外気がその軸受内に吸い込まれる一
方、軸受内で加熱した空気は軸受外に排出されるので、
高速回転において軸受から主軸に多量の熱量が流れ込む
ことがなく、その分だけスピンドルの温度上昇を抑えて
主軸の熱膨張を防止することができる。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明のスピンド
ルを詳細に説明する。図１は研削盤の研削軸として用い
られるスピンドルに本発明を適用した一実施例を示すも
のであり、符号１は主軸を、符号２はハウジングを、符
号３及び符号４は上記主軸１をハウジング２に対して回
転自在に支持するラジアル空気動圧軸受（以下、ラジア
ル軸受）及びスラスト空気動圧軸受（以下、スラスト軸
受）を夫々示している。

【００１８】上記主軸１の一端にはプーリ５が固定され
ており、このプーリ５に架け回されるベルトによって図
示外のモータの回転が主軸に伝達されるようになってい
る。一方、主軸１の他端には工作物を研削する砥石（図
示せず）が装着されるようになっている。

【００１９】また、上記ラジアル軸受３は上記主軸１に
接着接合された内輪３１と、この内輪３１と所定の軸受
クリアランスを保持して上記ハウジング２に焼き嵌めさ
れた外輪３２とから構成されている。上記内輪３１の周
面には、図３に示すようなヘーリング・ボーン状パター
ンを有する動圧発生用溝３３が形成されており、その溝
深さは１０μｍ、溝本数は１５本、主軸回転方向（矢線
Ｂ方向）に対する溝角度β＝３０°である。尚、この実
施例では主軸１に作用するモーメント荷重に抗するた
め、所定の間隔をおいて上記ラジアル軸受３を２つ配設
したが、個々のラジアル軸受３のモーメント荷重の負荷
能力が高い場合にはこれには及ばない。

【００２０】更に、上記スラスト軸受４は上記主軸１に
嵌め合い接合されたカラー４１と、このカラー４１と所
定の軸受クリアランスを保持して配設されたスラスト板
４２とから構成されている。上記カラー４１の両表面に
は図４に示すようなスパイラル状パターンを有する動圧
発生用溝４３が形成されており、その溝深さは１５μ
ｍ、溝本数は１５本、円周方向に対する溝角度α＝１６
°である。

【００２１】図２は上記スラスト軸受４の詳細を示して
いる。上記カラー４１は上記ラジアル軸受３の内輪３１
と当接しており、カラー４１の一方の表面に形成された
動圧発生用溝４３はラジアル軸受３の外輪３２と対向し
ている。また、カラー４１の他方の表面に形成された動
圧発生用溝４３はスラスト板４２と対向しており、上記
スラスト板４２とラジアル軸受３の外輪３２との間には
スペーサ４４が配設されている。これにより、外輪３２
とスラスト板４２との間隔は所定値に保持され、主軸１
の回転時にカラー４１と外輪３２、カラー４１とスラス
ト板４２とが夫々に形成する軸受クリアランスを所定値
に維持することができる。

【００２２】尚、図１中において符号６はハウジング２
の両端に固定されたエンドキャップ、符号７は工作物研
削時のクーラントがハウジング２内に浸入するのを防止
するラビリンスシール、符号８は主軸１に螺合して上記
ラビリンスシール７を固定する止め金具である。

【００２３】温度変化によって軸受クリアランスが僅か
でも変化すると、上記ラジアル軸受３及びスラスト軸受
４はその回転精度及び剛性が損なわれるので、これら軸
受は共にセラミクス材で形成されている。ここで、主軸
１側に固定される内輪３１及びカラー４１には断熱性の
あるセラミクス（例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ
₂等）を用い、ラジアル軸受３及びスラスト軸受４で発
生した空気の剪断摩擦熱の主軸への流入を防止した。ま
た、ハウジング２側に固定される外輪３２及びスラスト
板４２には伝熱性の良好なセラミクス材（例えば、Ｓｉ
Ｃ、ＡｌＮ等）を用い、ラジアル軸受３及びスラスト軸
受４で発生した空気の剪断摩擦熱がスムーズに金属性ハ
ウジング２に伝達されるようにした。これにより、軸受
部で発生した熱は主にハウジング２に流入して外気に放
散されるので、主軸１の熱膨張を可及的に防止して主軸
端に装着した研削用砥石の変位を防ぐことができる。本
実施例では断熱性セラミクスとしてＳｉ₃Ｎ₄焼結体を、
熱良導性セラミクスとしてＳｉＣ焼結体を使用した。

【００２４】内輪３１に対する動圧発生用溝３３の加工
及びカラー４１に対する動圧発生用溝４３の加工はショ
ット・ブラスト、砥粒液中での超音波加工、レーザー等
で容易に行うことができる。本実施例では、内輪３１あ
るいはカラー４１の溝加工面に樹脂製マスクを貼り付
け、３５０メッシュのＡｌ₂Ｏ₃砥粒を用いたショットブ
ラストにより加工を行った。溝深さは軸受クリアランス
によって適切な深さが決まるが、今回は内輪３１の動圧
発生用溝３３の深さを１０μｍ、カラー４１の動圧発生
用溝４３の深さを１５μｍとした。

【００２５】また、ラジアル軸受３及びスラスト軸受４
共に作動流体である空気の動圧が発生する軸受クリアラ
ンスは３〜１０μｍの範囲に収められる。３μｍ以下で
は軸受の加工精度の関係から組立てが困難となり、１０
μｍ以上では負荷能力及び剛性が小さくなり、研削用ス
ピンドルとしては不適当だからである。本実施例ではラ
ジアル軸受３及びスラスト軸受４共に軸受クリアランス
を５μｍとした。

【００２６】更に、主軸１の起動時及び停止時にスラス
ト軸受４のカラー４１とスラスト板４２とが接触するの
を防止するため、これらカラー４１とスラスト板４２と
の間には主軸１の自重のみを支える低圧の静圧を付与し
ている。図５及び図６に示すように、スラスト板４２に
は図示外のコンプレッサに連通する静圧孔４５が穿設さ
れ、カラー４１に面した静圧孔４５の周囲には深さ２０
μｍのリセス４６が設けられている。これにより主軸１
は静圧によって自重を下方から支えられているので、起
動時及び停止時にもカラー４１をスラスト板４２に接触
させることなく回転することができる。また、主軸１の
回転数が高まれば、カラー４１とスラスト板４２との間
には十分な動圧が発生して負荷能力が向上するので、コ
ンプレッサによる静圧は不要となる。

【００２７】図７乃至図９は、以上のように構成される
本実施例のスピンドルの性能試験の結果を示すグラフで
ある。これらグラフにおいて、従来品Ｉは軸受クリアラ
ンスを５μｍに設定した空気静圧軸受で主軸を支承した
スピンドルであり、従来品ＩＩは転がり軸受で主軸を支
承したスピンドルである。

【００２８】先ず、図７は主軸の高速回転（１００００
ｒｐｍ）におけるスピンドルの温度上昇を時間経過に伴
ってプロットしたものである。但し、従来品ＩＩについ
ては１００００ｒｐｍでの運転が困難なので、６８００
ｒｐｍで運転した。また、図８は主軸の回転数の変化に
伴うスピンドルの温度上昇をプロットしたものである。
これらグラフから明らかなように、本実施例のスピンド
ルは時間経過あるいは主軸回転数の何れについても温度
上昇が従来品の１／５〜１／１０であった。

【００２９】また、図９は主軸の回転数の変化に伴う主
軸の振れをプロットしたグラフである。このグラフから
は、本実施例のスピンドルの主軸の振れが何れの回転数
においても従来品より小さく、且つ、回転数の変化に伴
う主軸の振れの変化も従来品より小さいことが伺える。

【００３０】以下に示す表１は、本実施例のスピンドル
を用いて研削加工を施した研削面の表面粗さ及びうねり
を従来品ＩＩによる研削面のそれと比較したものであ
る。この比較結果から明らかなように、本実施例のスピ
ンドルを使用した場合は、加工速度が従来品の数十倍以
上であるにも拘わらず、従来のスピンドルを用いたクリ
ープ仕上げと同様な加工面を得ることができた。これに
より、本実施例のスピンドルが高速回転、高精密加工に
より適したものであることが確認された。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明のスピ
ンドルによれば、主軸がラジアル空気動圧軸受及びスラ
スト空気動圧軸受によって保持されているので、高速回
転においては主軸に高い剛性を与えることができる他、
主軸の振動や発熱も防止することができ、このスピンド
ルを用いることで高速且つ高精密な機械加工が可能とな
る。

【００３３】また、従来の静圧軸受を使用したスピンド
ルのようにコンプレッサやボンプを設ける必要がないの
で、その分だけスピンドルの小型軽量化を図ることがで
き、例えばこのスピンドルを用いる工作機械の設計の自
由度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスピンドルの実施例を示す断面図で
ある。

【図２】図１のＡ部を示す詳細図である。

【図３】実施例に係るラジアル空気動圧軸受の動圧発
生用溝のパターンを示す図である。

【図４】実施例に係るスラスト空気動圧軸受の動圧発
生用溝のパターンを示す図である。

【図５】実施例に係るスラスト板を示す平面図であ
る。

【図６】実施例に係るスラスト板を示す断面図であ
る。

【図７】実施例に係るスピンドルの時間経過に伴う温
度上昇を示すグラフである。

【図８】実施例に係るスピンドルの主軸回転数の変化
に伴う温度上昇を示すグラフである。

【図９】実施例に係るスピンドルの主軸回転数の変化
に伴う振れを示すグラフである。

【符号の説明】

１…主軸、２…ハウジング、３…ラジアル動圧軸受、４
…スラスト動圧軸受

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動手段に連結されて回転する主軸と、
この主軸の周囲に介装されて当該軸をハウジングに対し
て回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受と、上記主
軸の周囲に介装されて当該軸の軸方向への移動を規制す
るスラスト空気動圧軸受とから構成されることを特徴と
するスピンドル。
【請求項２】請求項１記載のスピンドルにおいて、上
記主軸側に固定される上記ラジアル空気動圧軸受の内輪
及び上記スラスト空気動圧軸受のカラーを断熱性セラミ
クスで形成する一方、上記ハウジング側に固定される上
記ラジアル空気動圧軸受の外輪及び上記スラスト空気動
圧軸受のスラスト板を熱良導性セラミクスで形成したこ
とを特徴とするスピンドル。
【請求項３】請求項１記載のスピンドルにおいて、上
記ラジアル空気動圧軸受及び上記スラスト空気動圧軸受
の軸受クリアランスが３〜１０μｍであることを特徴と
するスピンドル。
【請求項４】請求項１記載のスピンドルにおいて、上
記スラスト空気動圧軸受のスラスト板に静圧孔を設けた
ことを特徴とするスピンドル。